UDC 544.47
AGRIS P33

In situ H-ZSM-5 Zeolite Deactivation Study in Dimethyl Ether to Hydrocarbons Transformation Reaction

The study was funded by Russian foundation for basic research project number 20-08-00433 А

In situ H-ZSM-5 Zeolite Deactivation Study in Dimethyl Ether to Hydrocarbons Transformation Reaction
©Sidorov A., ORCID: 0000-0002-0983-420X, SPIN-code: 4463-4071, Ph.D., Tver State Technical University, Tver, Russia, sidorov_science@mail.ru
©Kosivtsov Yu., ORCID: 0000-0002-7414-3253, SPIN-code: 4677-5039, Dr. habil., Tver State Technical University, Tver, Russia, kosivtsov@science.tver.ru
©Brovko R., ORCID: 0000-0001-9945-566X, SPIN-code: 1638-1220, Tver State Technical University, Tver, Russia, romanvictorovich69@mail.ru
©Doluda V., ORCID: 0000-0002-2865-9945, SPIN-code: 8836-6137, Dr. habil., Tver State Technical University, Tver, Russia, valentindoluda@gmail.com

Abstract. Today, catalytic processes for the synthetic fuel components production are of considerable interest for both scientific and industrial area. The transformation of dimethyl ether into hydrocarbons is one of the possible solutions for the development of a closed hydrocarbon cycle, in connection with which a wide study of this process is an important task of modern catalysis. The transformation of dimethyl ether into hydrocarbons occurs with the formation of heavy polyaromatic hydrocarbons, which are deposited on the surface of active centers, which in turn prevents the further occurrence of chemical processes on their surface. This article presents a study of the deactivation of zeolite H-ZSM-5 by the thermogravimetric method in situ. The results of experiments carried out in the temperature range from to 300 to 400 °C are presented. The accumulation of carbon deposits in the first hour of operation indicates the presence of an induction period due to the formation of the first layer of carbon deposits. Linear decontamination occurs when the first five weight percent of carbon deposits accumulate. Further accumulation of carbon deposits up to eight weight percent leads to a sharp decrease in the rate of conversion of dimethyl ether into hydrocarbons to 0.08 kg (DME) / (kg (Cat) h). In the first hour of operation, aromatic hydrocarbons predominate in the reaction medium; with increasing time, the concentration of aromatic hydrocarbons decreases, and the concentration of light olefins and alkanes increases due to carbonization of the catalyst surface. The concentration of heavy aromatic hydrocarbons with a number of carbon atoms equal to or greater than eleven has a maximum after 240 minutes of reaction. The decrease in the content of heavy aromatic hydrocarbons after 240 minutes of reaction can be explained by the sharp loss of surface acidity due to carbonation.

Keywords: deactivation, dimethyl ether, zeolites, catalysts, H-ZSM-5.

Изучение дезактивации цеолита H-ZSM-5 в процессе трансформации диметилового эфира в углеводороды в условиях in situ
©Сидоров А. И., ORCID: 0000-0002-0983-420X, SPIN-код: 4463-4071, канд. хим. наук, Тверской государственный технический университет, г. Тверь, Россия, sidorov_science@mail.ru
©Косивцов Ю. Ю., ORCID: 0000-0002-7414-3253, SPIN-код: 4677-5039, д-р хим. наук, Тверской государственный технический университет, г. Тверь, Россия, kosivtsov@science.tver.ru
©Бровко Р. В., ORCID: 0000-0001-9945-566X, SPIN-код: 1638-1220, Тверской государственный технический университет, г. Тверь, Россия, romanvictorovich69@mail.ru
©Долуда В. Ю., ORCID: 0000-0002-2865-9945, SPIN-код: 8836-6137, д-р хим. наук, Тверской государственный технический университет, г. Тверь, Россия, valentindoluda@gmail.com

Аннотация. На сегодняшний день каталитические процессы получения компонентов синтетических топлив вызывают значительный интерес как научных, так и промышленных кругов. Трансформация диметилового эфира в углеводороды является одним из возможных решений для построения замкнутого углеводородного цикла, в связи с чем широкое изучение данного процесса является важной задачей современного катализа. Превращение диметилового эфира в углеводороды происходит с образованием тяжелых полиароматических углеводородов, осаждающихся на поверхности активных центров, что в свою очередь препятствует дальнейшему протеканию химических процессов на их поверхности. В настоящей статье представлено исследование дезактивации цеолита H-ZSM-5 термогравиметрическим методом in situ. Приведены результаты экспериментов, проведенных в диапазоне температур от 300 до 400 °C. Накопление углеродных отложений в первый час работы показывает наличие индукционного периода из-за образования первого слоя углеродных отложений. Линейная дезактивация наблюдается при накоплении первых пяти весовых процентов углеродных отложений. Дальнейшее накопление углеродных отложений до восьми весовых процентов приводит к резкому снижению скорости превращения диметилового эфира в углеводороды до 0,08 кг (ДМЭ) / (кг (Кат) ч). В первый час работы в реакционной среде преобладают ароматические углеводороды, с увеличением времени концентрация ароматических углеводородов уменьшается, а концентрация легких олефинов и алканов увеличивается за счет карбонизации поверхности катализатора. Концентрация тяжелых ароматических углеводородов с числом атомов углерода, равным или больше одиннадцати, имеет максимум через 240 минут реакции. Уменьшение содержания тяжелых ароматических углеводородов после 240 минут реакции можно объяснить резкой потерей кислотности поверхности из-за карбонизации.

Ключевые слова: деактивация, диметиловый эфир, цеолиты, катализаторы, H-ZSM-5.

Ссылка для цитирования:

Sidorov A., Kosivtsov Yu., Brovko R., Doluda V. In situ H-ZSM-5 Zeolite Deactivation Study in Dimethyl Ether to Hydrocarbons Transformation Reaction // Бюллетень науки и практики. 2021. Т. 7. №10. С. 10-16. https://doi.org/10.33619/2414-2948/71/01

Cite as (APA):

Sidorov, A., Kosivtsov, Yu., Brovko, R., & Doluda, V. (2021). In situ H-ZSM-5 Zeolite Deactivation Study in Dimethyl Ether to Hydrocarbons Transformation Reaction. Bulletin of Science and Practice, 7(10), 10-16. https://doi.org/10.33619/2414-2948/71/01